Autoteollisuuden nopean kehityksen myötä autojen elektroniikkajärjestelmien monimutkaisuus lisääntyy jatkuvasti ja viestintäjärjestelmien vaatimukset kovenevat. Kuituoptisia johtosarjoja käytetään edistyneinä signaalinsiirtovälineinä autoteollisuudessa yhä laajemmin. Kuituoptiikka, jonka edut ovat suuri nopeus, korkea luotettavuus, pieni häviö ja sähkömagneettisten häiriöiden vastustuskyky, muuttaa vähitellen tapaa, jolla tietoja siirretään autoissa, mikä osoittaa valtavan sovelluspotentiaalin autoteollisuuden viestinnän alalla. Tässä artikkelissa käsitellään valokuituvaljaiden perusominaisuuksia ja niiden sovelluksia autoissa, analysoidaan niiden etuja ja kehitysnäkymiä.
Autotekniikan älykkyyden ja liitettävyyden lisääntyessä viestinnän ja tiedonsiirron kysyntä kasvaa, mikä tekee ajoneuvojen sähköisten viestintäjärjestelmien turvallisuudesta ja vakaudesta tutkimuksen keskeisen painopisteen. Kuituoptinen viestintäteknologia edistyneenä viestintäteknologiana tarjoaa uusia ideoita ajoneuvojen sähköisten viestintäjärjestelmien kehittämiseen. Tässä artikkelissa analysoidaan kuituoptisen viestintäteknologian ominaisuuksia, tarkastellaan sen sovelluksia tulevaisuuden autoissa useista näkökulmista, tarkastellaan sen etuja ja ennakoidaan sen kehityssuuntauksia.

1. Kuituoptisten johtosarjojen tekninen yleiskatsaus

Kuituoptiset kaapelit käyttävät valoaaltoja kantoaaltoina ja optisia kuituja siirtovälineinä, mikä tarjoaa etuja, kuten suuren nopeuden, korkean luotettavuuden, pienen häviön ja sähkömagneettisten häiriöiden kestävyyden. Niiden siirtonopeus on paljon suurempi kuin perinteisten kuparijohtojen tai koaksiaalikaapeleiden, mikä täyttää ajoneuvojärjestelmien suuren volyymin, reaaliaikaisen viestinnän vaatimukset. Kuituoptinen viestintälinkki koostuu pääasiassa optisista liittimistä ja kuituoptisista kantoaaloista nopean signaalinsiirron saavuttamiseksi.
①Kuituoptinen liitin
Kuituoptiset liittimet ovat passiivisia optisia laitteita, jotka mahdollistavat siirrettävät yhteydet optisten kuitujen välillä. Ne koostuvat pääasiassa kuituvahvistuksesta, kuitujen kohdistamisesta, joustavasta liittämisestä, liittimien lukituksesta, kaapelin kiinnityksestä, holkkien pyörimisen estämisestä ja kaapelin puskuroinnista (katso kuva 1). Kuituoptisissa liittimissä käytetään tyypillisesti keraamisia holkkeja ja keraamisia holkkeja kuitujen kohdistamiseen, ja jouset varmistavat holkin päiden joustavan liittämisen. Ennen liittämistä jousi on esipuristetussa tilassa, mikä estää holkkia liikkumasta lukitusvoiman takia. Yhdistyksen aikana holkin sisäänveto synnyttää toissijaisen puristuksen, joka syöttää jousivoiman takaisin holkkiin varmistaen, että kaksi liitäntäholkkia pysyvät kosketuksissa ja puristuvat yhteen koko liitosprosessin ajan.

②Optinen kuitujohdin
Optiset kuidut ovat sylinterimäisiä ja koostuvat pääasiassa ytimestä, verhouksesta ja pinnoitteesta (katso kuva 2). Optisten kuitujen läpäisyperiaate hyödyntää sisäisen kokonaisheijastuksen ilmiötä. Toisin sanoen, kun valo osuu optisesti tiheämästä väliaineesta (jolla on suhteellisen korkea taitekerroin) optisesti vähemmän tiheään väliaineeseen (jolla on suhteellisen pieni taitekerroin), jos tulokulma on suurempi kuin sisäisen kokonaisheijastuksen kriittinen kulma, valo ei enää taitu, vaan heijastuu kokonaan takaisin alkuperäiseen väliaineeseen, mikä varmistaa, että optinen signaali voi levitä ilman vuotoa valokuidussa.

Optisella kuidulla on seuraavat ominaisuudet:
(1) Suuri siirtonopeus, pitkä matka ja suuri sisältö: Optisella kuidulla on erittäin korkea siirtonopeus, se voi lähettää tietoja pitkiä matkoja ja lähettää suuren määrän tietoa samanaikaisesti.
(2) Sähkömagneettiset häiriöt eivät vaikuta: Optinen kuitu lähettää optisia signaaleja, eivätkä sähkömagneettiset aallot vaikuta siihen, joten signaalin laatu on vakaampi.
(3) Laaja kaistanleveys: Optisella kuidulla on erittäin laaja kaistanleveys, joka tukee nopeaa tiedonsiirtoa.
(4) Pieni häviö: Optisen kuidun lähetyshäviö on erittäin pieni, ja teoriassa se voi lähettää satoja kilometrejä tai jopa pidempiä matkoja ilman signaalin laadun heikkenemistä.
(5) Korkea turvallisuus: Optinen kuitusiirto ei tuota sähkömagneettista säteilyä, eikä sitä voida salakuunnella ulkoisilla sähkömagneettisilla aalloilla, joten se sopii paremmin joihinkin tilanteisiin, joissa on korkeat tietoturvavaatimukset.
(6) Pieni koko ja kevyt: Perinteisiin kuparikaapeleihin verrattuna optinen kuitu on pienempi ja kevyempi, mikä helpottaa käyttöönottoa ja ylläpitoa. Tämä etu on vielä selvempi suurissa tietoliikenneverkoissa.

2. Kuituoptisten johtosarjojen edut älykkäissä autoteollisuuden sovelluksissa

Kun kuparilankojen siirtonopeus saavuttaa 10 Gt/s tai enemmän, tarvitaan paksumpia kuparijohtoja nopeusvaatimusten täyttämiseksi. Kuitenkin autoteollisuuden layout-ympäristössä kuparilankojen paksuuntuminen johtaa ajoneuvon painon ja ajoneuvon kustannusten nousuun, mikä ei voi täyttää ajoneuvon nopean ja kevyen asetteluympäristön vaatimuksia. Kuituoptinen kaapelitekniikka voi merkittävästi parantaa viestinnän laatua ja luotettavuutta ja vähentää sähkömagneettisia häiriöitä lisäämättä ylimääräistä painoa, mikä parantaa ajoneuvon turvallisuutta ja vakautta.
(1) Kuituoptisen kaapelin siirtonopeus on paljon suurempi kuin perinteisten kuparijohtojen tai koaksiaalikaapeleiden. Se voi lähettää miljoonia megatavuja dataa sekunnissa, mikä voi täyttää nykyaikaisten autojen viestintätarpeet suuren datamäärän ja korkean reaaliaikaisen suorituskyvyn saavuttamiseksi. Perinteisten kuparilankaverkkojen suurin nopeus voi olla vain 10 Gt/s, mikä on vaikeaa täyttää nopean tiedonsiirron vaatimuksia.
(2) Optisen kuidun lähetyshäviö on erittäin pieni. Häviö kilometriä kohden on yleensä alle 0,0035 dB/m, mikä voi varmistaa signaalin korkean laadun pitkän matkan lähetyksen aikana. Sen sijaan perinteisten kuparilankaverkkojen siirtohäviö on 0,5 dB/m, mikä on suuri pitkän matkan lähetyksessä.
(3) Optinen kuituviestintätekniikka käyttää valoaaltoja signaalien välittämiseen optisissa kuiduissa, joilla on merkittävä sietokyky sähkömagneettisia häiriöitä vastaan ​​verrattuna perinteiseen kuparilankasiirtoon.
(4) Perinteisiin metallijohtoihin verrattuna muovinen optinen kuitu (POF), joka on eräänlainen autojen optinen kuitu, voi vähentää merkittävästi ajoneuvon painoa ja parantaa ajoneuvon taloudellisuutta.

3.Skenaariot kuituoptisten johtosarjojen soveltamisesta autoihin

Kuituoptisia johtosarjoja käytetään tällä hetkellä laajalti lääketieteen, viestinnän, Internetin ja teollisuuden aloilla. Niiden soveltamiseen autoteollisuudessa liittyy kuitenkin useita haasteita, kuten teoreettisen perusperustan puute, tekniset spesifikaatiot ja standardit, epäselvät testausstandardit ja käytännön kokemuksen puute autoteollisuuden sovelluksissa.

①Kuituoptisten kaapelinippujen käyttö asennusalueilla
Kuituoptisten johtosarjojen käyttö autoissa poikkeaa muiden alojen käytöstä ja käyttöalueen ympäristöominaisuudet on otettava täysimääräisesti huomioon. Tärinävaatimukset koskevat esimerkiksi moottoria ja alustaa; vedenpitävyys on otettava huomioon sellaisilla alueilla kuin moottoritila ja alavaunu; ja kuituoptisten johtimien ja liittimien korkean lämpötilan suorituskykyvaatimukset on otettava huomioon korkeissa lämpötiloissa. Autojen eri käyttöympäristöjen mukaan koko ajoneuvon layout-alueet voidaan karkeasti jakaa kosteisiin, mahdollisesti kosteisiin ja kuiviin alueisiin.
(1) Kosteilla alueilla tarkoitetaan alueita, joissa johdot ja liittimet todennäköisesti joutuvat kosketuksiin nesteiden kanssa normaaleissa käyttötilanteissa, kuten johtosarjan liittimet matkustamon ulkopuolella, kuten alustassa ja moottoritilassa. Sateisella tai lumisella säällä nämä alueet joutuvat jossain määrin kosketuksiin erilaisten nesteiden kanssa, joko ajon aikana tai pysäköitynä.
(2) Mahdollisesti kosteilla alueilla tarkoitetaan alueita, joissa johtosarjan liittimet voivat joutua kosketuksiin nesteiden kanssa tietyissä päivittäisissä käyttötilanteissa, kuten kun ovet avataan sateessa, vesikuppeja roiskuu, pakastetuotteet sulavat tai kondenssivettä tippuu. Esimerkiksi matkustamon lattia, ovien käsinojat, istuinpinnat jne.
(3) Täysin kuivat alueet tarkoittavat alueita, joissa johtosarjan liittimet eivät todennäköisesti joudu kosketuksiin nesteiden kanssa ajoneuvon normaalissa käytössä, kuten kojelaudan sisäosat ja kattokuoren sisätilat. On huomattava, että johtosarjan liittimien vesitiivis tiivistysvaatimukset laskevat peräkkäin märistä alueista, mahdollisesti kosteista alueista kuiviin alueisiin.

②Kuituoptisten johtosarjojen sovellusratkaisut
Sähköisten suorituskykyvaatimusten täyttämisen lisäksi valokuitukaapeleiden käyttö autoissa vaatii usein mekaanisten suorituskykyvaatimusten täyttämistä. Kuituoptisten kaapeleiden lämpötilaluokitus, tärinävaatimukset ja vedenpitävyysvaatimukset on otettava huomioon. Ratkaisut ovat seuraavat:
(1) Kuituoptiset kaapelit: Ensinnäkin lämmönpoiston suunnittelu suoritetaan valitsemalla korkeita lämpötiloja kestävät materiaalit ja optimoimalla ajoneuvon yleinen layout. Esimerkiksi korkeita lämpötiloja kestävät lankamateriaalit, kuten silikonilanka ja XLPE-lanka, valitaan. Nämä materiaalit voivat säilyttää eristyksen korkeissa lämpötiloissa. Toiseksi käytetään erikoisprosesseja, kuten kaksikerroksinen pinnoitus ja ultraviolettikovetustekniikka. Lopuksi sijoittelu ajoneuvossa on optimoitu. Esimerkiksi johtosarjan sijoittelu välttää moottorin pakoputken reitin ja korkean lämpötilan pyörrealueen. Optimoidumpi layout saadaan lämmönhallinnan avulla.
Samanaikaisesti korkean lämpötilan kestävää lämmöneristyskäärettä voidaan käyttää myös ajoneuvojen johdotusasettelussa. Esimerkiksi valokaapelin ulkopinnan käärimiseen käytetään korkeaa lämpötilaa kestävää alumiinifoliolasikuituputkea, jolla voidaan tehokkaasti varmistaa kuitukaapelien käyttö ajoneuvojen korkeissa lämpötiloissa ja parantaa ikääntymiskestävyyttä.
Samanaikaisesti, jotta valokuitukaapeleita voidaan käyttää kosteissa ympäristöissä, optinen kaapeli voidaan myös suunnitella monikerroksisella suojarakenteella tehokkaasti vedenpitäväksi. Erityisesti optisen kaapelin uloin kerros on yleensä muovinen vaippa. Tämä vaippa ei ainoastaan ​​tarjoa mekaanista suojaa, vaan sillä on myös tietty vedenpitävä toiminto. Muovivaipan sisällä on metallivaippa, joka parantaa entisestään optisen kaapelin paineenkestoa ja vedenpitävyyttä. Metallivaipan sisällä on vedessä turpoava suojakerros, joka on tärkeä este kosteuden tunkeutumiselta. Jos kosteutta tunkeutuu sisään, sulkukerros laajenee nopeasti ja tiivistää tunkeutumisreitin ja estää leviämisen. Kaapelin sydämessä on myös vedeneristystoimenpiteitä. Optinen kuitu on tiiviisti kääritty rasvaan ja liimattu muihin ytimen komponentteihin. Tämä rasva ei vain voitele, vaan mikä tärkeintä, imee ja lukitsee pieniä määriä kosteutta ytimeen, mikä estää kuidun vaurioitumisen.
Tämän monikerroksisen suojarakenteen ansiosta optinen kaapeli voi ylläpitää kuidun kuivuutta ja vakautta erilaisissa ankarissa ympäristöissä, mikä varmistaa viestintäsignaalien sujuvan siirron. Esimerkiksi Yangtze Optical Fiber and Cablen vapauttamassa autojen optisessa johtosarjassa oleva kvartsimonimuotokuitu täyttää autojen standardit taivutuksen (säde 10 mm), vetolujuuden (150 N), lämpötilaominaisuuksien (-40 ℃ ~ 125 ℃), ikääntymisen (1,30 0 V) ​​osalta.
(2) Kuituoptiset liittimet: Tärkeimmät menetelmät kuituoptisten liittimien lämpötilan kestävyyden parantamiseksi ovat lämmönpoistorakenteiden suunnittelu ja korkeita lämpötiloja kestävien materiaalien valinta. Kohtuullisen lämmönpoistosuunnittelun ja korkeita lämpötiloja kestävien materiaalien käytön avulla kuituoptisten liittimien suorituskykyä ja käyttöikää voidaan parantaa tehokkaasti korkeissa lämpötiloissa. Ensinnäkin lämmönpoistorakenteen suunnittelu on avainasemassa valokuituliittimien lämpötilankestävyyden parantamisessa. Kuituoptiset liittimet tuottavat lämpöä käytön aikana; kohtuullinen lämmönpoistorakenne voi auttaa alentamaan liittimen lämpötilaa ja varmistamaan sen vakaan toiminnan.

Tässä ovat erityiset menetelmät:
① Varaa metalliosat lämmön siirtämiseen ja lämmön haihtumisen edistämiseen.
② Suunnittele lämmönpoistorivat: Sisällytä lämmönpoistorivat liittimen kuoreen, jotta ilmakontakti on parempi ja lämmönpoisto tuulettimien tai luonnontuulen kautta.
③ Käytä metallikuorta: Käytä metallimateriaaleja, joilla on parempi lämmönpoistokyky parantaaksesi lämmönpoistotehokkuutta. Toiseksi korkeita lämpötiloja kestävien materiaalien valinta on myös ratkaisevan tärkeää valokuituliittimien lämpötilankestävyyden parantamiseksi.
Tavalliset materiaalit ovat alttiita ikääntymiselle tai muodonmuutokselle korkeissa lämpötiloissa, kun taas korkeita lämpötiloja kestävät materiaalit kestävät paremmin korkeiden lämpötilojen vaikutuksia.
① Korkealaatuiset tekniset muovit: Käytä korkealaatuisia teknisiä muoveja, jotka kestävät keski- ja alhaisia ​​lämpötiloja liittimen kuoren ja sisäisen rakenteen rakentamiseen, mikä parantaa yleistä lämpötilankestävyyttä.
② Erikoiseosmateriaalit: Käytä erityisiä seosmateriaaleja liittimen avainkomponenttien rakentamiseen, mikä parantaa niiden kestävyyttä korkeissa lämpötiloissa ja muodonmuutoskestävyyttä. Esimerkiksi Lytas Optics tarjoaa kosketuksettomat optiset liittimet, joilla on parempi liitäntä toistettavuus, pidempi liitosikä, pienempi liitoshäviö ja pienempi pölyherkkyys verrattuna perinteisiin optisiin liittimiin.
③ Kutisteputkia voidaan käyttää vedeneristykseen: Kiinnitä kutisteletku liitosalueelle ja käytä kutisteputkilämmitintä letkun kutistamiseen. Kutisteputkien tehtävänä on suojata optisia kuituja ja estää kosteuden ja epäpuhtauksien pääsyn sisään. Varmista, että kutisteputki sopii tiiviisti liitintä ja optista kuitua vasten ilman rakoja. Lisää sopiva määrä tiivisteainetta kutisteputken ulkopuolelle parantaaksesi liittimen vedenpitävyyttä. Varmista, että tiiviste levitetään tasaisesti ja täyttää kaikki mahdolliset aukot ja huokoset, odota tiivisteen kuivumista ja kovettumista ja suorita sitten tiivistyskäsittely. (3) Nopea yhteys saavutetaan optisen kuidun kautta, ja sähköliitäntäportti vastaa anturin virransyötöstä. Yhteenvetona voidaan todeta, että valokuituviestintäteknologialla on laajat sovellusmahdollisuudet ja suuri potentiaali ajoneuvojen viestintäjärjestelmissä. Tulevaisuudessa valokuituviestintätekniikka hyödyntää edelleen ainutlaatuisia etujaan ja tarjoaa vahvan tuen ajoneuvojen sähköisten viestintäjärjestelmien kehittämiselle. Samaan aikaan teknologian jatkuvan kehityksen ja innovaatioiden sekä mittakaavan jatkuvan parantamisen myötä optisen kuituviestinnän kustannukset ajoneuvosovelluksissa laskevat entisestään, ratkaisut kypsyvät ja siitä tulee suosituin ratkaisu nopean tiedonsiirron tarpeiden ratkaisemiseen älykkäiden ajoneuvojen kehittämisessä.

4. Johtopäätös

Älykkäiden ajoneuvojen kehitys asettaa viestintäjärjestelmille vaatimuksia, jotka edellyttävät suurta nopeutta, pientä häviötä ja voimakasta häiriön kestävyyttä. Verrattuna autojen kuparijohtoihin kuituoptisilla tietoliikennelangoilla on useita etuja. Tässä artikkelissa analysoidaan lyhyesti kuituoptisten nippujen sovellusskenaarioita ja vastaavia ratkaisuja. Älykkäiden ajoneuvojen kehityksen myötä autojen valokuitua tullaan käyttämään laajasti autoissa.
(Lähde: [1] Automotive Knowledge. 2024, 24 (11), Kirjoittaja: Jian Zhongjian, Liu Zhiqiang, Wang Dengke. GAC Group Automotive Engineering Research Institute
[2] Johdinsarja Kiina. 2026, 5)